紫色细菌生活于死海，它们利用其外膜捕获太阳能，我们能够吗？
死海并非全然是死的，其栖居生物中包括少数异常“坚强”的微生物，其中一种作为生物学现象早已闻名的细菌，可能对生物工艺学作出杰出的贡献，这种细菌就是嗜盐杆菌，它和某些关系并不密切的物种一样，具有在自然界其它地方再也找不到的利用太阳能的机制。在过去十年里这种机制已成为最深入细致研究的生物学系统之一，并且对生物能学的“化学渗透偶联”理论提供一些最使人信服的证据。该理论使其创始人英国生物化学家佩特 · 米切尔（Peter Mitchell）获得了1978年的诺贝尔奖。此外，科学家们希望：这种细菌能证明是十分有用的——从日光发电以及海水脱盐。
嗜盐杆菌是嗜盐（喜盐）细菌之一，它们肯定是喜盐的，能在盐分高达大西洋所含的8倍的环境中蓬勃生长，这些细菌在盐分仅为大洋3倍的培养基中很快裂解。当企图在构建日光驱动的“电池”中应用具有搜集日光功能的装置时，把这些细菌细胞放入较稀溶液中能使之裂解（此过程称为渗透剧度）的易行方法证明是十分便利的。
嗜盐杆菌区别于几乎所有其它生物的特征之一是在于包裹每个细胞的膜，其细胞膜中多达一半可被紫色膜片覆盖，这些膜片含有能捕获日光中的能量的色素——菌视紫素，如果细菌能用此种方式利用菌视紫素，那么我们或许也能这样办到。
菌视紫素由一条其上附有一个视黄醛分子的蛋白质链所组成，视黄醛（与眼中的光敏色素一样）是维生素A的衍生物，菌视紫素分子中的视黄醛部分似乎可被光所“激发”，该分子中更大的蛋白质部分被卷曲成7个螺旋区，每一个均横越细胞膜的厚度，当日光照在嗜盐杆菌的紫色膜片时，可诱导菌视紫素分子的化学与物理变化，其结果使质子（氢离子—H+）由膜的一侧运转到另一侧，因此菌视紫素已被认为是日光驱动的质子泵，在这个过程（“光循环”）中，此分子内所发生的整个一系列改变可在大约10毫秒内完成，每次循环后，该分子又再度准备被日光所激活，以抽吸另外的质子。
菌视紫素分子在膜上以三个成 ~ 组地排列，每组形成可被考虑为两向结晶物的六角形点阵部分，目前已有证据表明每组中的三个分子可“协调工作”，因此当有两个或三个分子在同时开动时，每一个都能增加另一个的效率。
在未受损伤的细胞中，活细菌的质子可由其体内被抽吸至周围环境，但是即使细胞被裂解后，只要仍有紫色膜片存在，泵的作用仍能有效地产生，这种能力使紫色细菌可以作为生物工艺学中有前途的候选者。
不论在活细胞中，还是在分离出来的膜中，抽吸质子穿过细胞膜的作用可建立起一个质子浓度梯度，在完整细胞中，质子最集中于膜内侧，其浓度逐渐向外侧稳定地减低，这种质子梯度可用几种方式表示（或者被描述）之，事实上酸度的标准测量（pH）是质子浓度的一种测量，也就是说，质子浓度梯度是一种pH的差异，同时，因为质子带有正电荷，其浓度梯度也能产生电位差，这两种差异一个是化学的另一个是电学的，一起被称为质子的电化学梯度，这梯度表示贮存能的形式（同时是Mitchell假说的主要组成）。
紫色细菌的活细胞把这种质子流方式的能量贮存送回有机体，为其生命活动提供能量，问题是：我们能否发展出有紫色膜片参与的人工体系，以补充我们的能量需要？它需要把紫色膜安装得使日光照射时，质子可由一侧流向另一侧，以致能产生一个可用于做工的电位差。还没有人指出这种方式可以经济地实行，但是一些国家中的研究正在揭示有关该系统的潜力以及正在确定解决此问题的方法。
以色列、苏联、英国、荷兰、西德、匈牙利、美国以及其它国家的生化学家、物理学家以及生物物理学家们正在试验几种把嗜盐杆菌的紫色膜片构建成人工系统的方法，即使迄今设计得最好的系统也没有达到其它的搜集太阳能方法所获得的效率。例如硅元件的效率可超过19%。而紫色膜系统大约为1%。洛伊 · 卡帕兰（Roy Caplan）（他在以色列的Weismann研究所的小组居紫色膜研究的最前沿）和柯赫尔 · 辛（Kehar Singh）认为：为使其有竞争力。
目前的嗜盐杆菌系统的效率必须增加四倍。已经构建了实验室规模的系统，并表明可产生电流，卡帕兰和辛谨慎地预测：“安装于分散的或单独的建筑物屋顶上的小型的紫色膜太阳能转换器，特别适合于中东地区，那儿全年日照水平很高，对于满足家庭能量需要，似乎是一种独特的但较遥远的展望。”不过在这么早的时候还很难预测首先要投入的时间、资金以及最重要的创造性。
紫色膜系统至少可能具有一种超过目前“流行的”基于硅、砷化镓或硫酸钙的系统的显著优越性：它们可能提供“廉价工艺”生产，即只需较少的资金，更有甚者虽然生物学系统本来是不经济的这一点不能轻易地不加考虑，然而对“效率”的考虑并不总是恰当的，一个低效率（比如说1第）的系统需要比具20%效率的系统多二十倍的土地，不过在阳光十分充足地区的分散的居民区周围的土地其价值是很低的，在这些地区，紫色膜系统发电可能是最为有用的。
在紫色膜系统成为商业化工作之前，必须克服的一些技术问题总结如下：
（1）培养含有尽可能多的紫色膜的嗜盐杆菌。
（2）搜集细胞，把紫色膜与细胞的其它部分分离开。
（3）制造出坚固的膜的支持物。
（4）把紫色膜固定在支持物上，使所有膜均能以同一方式取向，也就是它们全都能以相同方向抽吸质子。
（5）用紫色膜/支持物系统形成一个介于两种溶液（电池的两半部分）间的电池。
（6）将电极插入每个室中。
（7）光照该系统，以开动质子泵，使在两个室之间产生电位差。
（8）以串联连接太阳能电池（增加电压），以并联连结太阳能电池（增加电流）。
第（1）。（2）个问题（选育与培养合适的嗜盐杆菌以及分离其紫色膜）为生物学问题，依次的三项必须的工作包括：创制支持物（基质），把紫色膜固定其上，固定地和正确地取向。最后的问题（插入电极，提供一种合适的光源，把紫色膜太阳能电池连结于电路）涉及常规的电气工程。
使嗜盐杆菌生长并不困难，这种细菌多半能生长于含有高浓度（价格便宜的）氯化钠、并加有其它矿物盐和营养料的浅塘中，一些不需要的生物是不会污染生长培养基的（这是一个企图以工业化规模培养微生物时常常遇到的问题），因为只有极少数其它的物种能在如此恶劣环境下存活。细菌并不需要外加的氧气——事实上，除非有一个低的外界氧浓度，否则它并不合成其紫色膜。如果有着大量的氧气，细菌可以通过氧化食物而获得能量——当氧气稀少、日光充足时，紫色膜本质上是一种救援系统。
在某些嗜盐杆菌品系中，细胞膜有一半是被紫色膜片所覆盖，如果能发现可产生更多的紫色膜或需要较少养分的菌株，这阶段的经济成本可以明显地改善。目前10升嗜盐杆菌培养物经测定可产生半克紫色膜，足够覆盖120平方米面积，根据1%的运转效率，卡帕兰和辛估算了产生紫色膜的成本为0.2美元/瓦特，目前这种效率还没有达到，不过这种成本与硅板（11美元/瓦特）或硅带（0.37美元/瓦特）的成本比较时，显得十分有利。
总之，第一步：获得足够的嗜盐杆菌细胞并不存在太大的问题，第二步：把紫色膜与细胞其它部分分离开也并不困难，实际上，膜是十分坚韧的，因为其抽吸质子的能力很少受热、机械张力或PH的影响。
这种对激烈处理的恢复性超过自然界中有意义的变性，如能用十分普通的因而是便宜的技术去提取紫色膜，将具决定性意义，该种技术在小规模操作时，其经济成本是合算的
分离紫色膜的通常方法包括：把整个细胞浸入水中使其裂解，离心细胞碎片，根据它们的密度而区分各种组分，然后搜集紫色膜，弃去细胞其它部分，在生物工艺学流程中，不需要的物质可以再收回到生长培养基中，以额外补充养分，虽然这种处理方法使紫色膜碎成直径约为0.5微米的圆形或插圆形片，可是菌视紫素抽吸质子的能力不受损伤。
设计合适的紫色獏的支持物，以及使膜附着于支持物（第三步）还有很大困难，其主要要求是：将含有约10万菌视紫素分子固定于支持物，使每片膜以相同方向抽吸质子，而支持物本身的机械强度必须很大，它还必须具有合适的化学、物理和电学特性，例如，它必须使质子容易通过，同时又尽可能限制其它离子通过，如果所有离子均能自由通过紫色膜/支持物系统，由质子泵产生的电位差将因下述原因而被抵消：阴离子（例如氯离子Cl-或氢氧离子OH-）与质子一样以相同方向通过这系统；阳离子（例如钠离子Na+和钾离子K+）以相对方向运动，可容许质子流动而排斥其它离子的一个方法是应用能阻止带阴电荷的离子（例如OH-和Cl-）的移动的带电支持物（离子交换剂）；用较大的带多价电荷的离子去替代小的一价阳离子（例如K+）以减少其移动。
科学家们已经发展出几个用以支持紫色膜的系统。对质子泵的基本机制的绝大多数研究集中于把紫色膜吸附到“黑色”的脂质双层——两片平行的厚约一个分子的脂肪上（这脂质并不需与紫色膜本身存在的脂质相同）。毫不奇怪，这些双层分子极其脆弱，肯定并不适于生物工艺学的应用。
用于太阳电池的一种更有希望的技术是把紫色膜附着于一个具很小孔径的泸板，这泸板先用脂质充填，当加进紫色膜时，可使两者很好融合，以形成几乎遍布整个泸板表面的脂质层，或者把膜碎片与一些聚合因子（例如丙烯酸戊丙烯酰胺）混合，使混合物聚成凝胶。如果这凝胶是在对正电荷具亲和性的膜间聚合，此系统就显得更为稳定。也可以使膜的水溶液在基质上干燥的方法，以把紫色膜固定于基质上。
不论采用什么方法，这系统只有在紫色膜片以相同方式取向时才能工作，因为它们全部可按相同方向吸送质子，采用“错误”方式（与大多数膜片方向相反的）膜片，不仅是“废物”，而且还抵消正确取向的膜片的效应。
发展出许多利用紫色膜的天然不对称性以排列膜片的方法——例如，当膜片被吸附于其基质上时，通以电场。难以估计紫色膜太阳电池的电位的一个理由是：很难判断在许多模式系统中膜片正确排列的程度，如果已经报告的大多数的低电流与低电位是用那些只有少数膜片正确取向的系统所产生，那么显著改善的前景很乐观，高度取向在理论上是可能的，已经报告，当紫色膜片单分子层是在空气/水界面处形成时，其中约有85%处于相同方向，如果在一个有较好把握改进电位差的系统中达到这种取向程度，那么这种较大的“净取向”（超过70%）能表明是重要的。
增加紫色膜支持系统内外的电位差的一个方法是加入尼日利亚霉素（一种抗生素），这种作用于膜的药物可让质子流入细胞，而让钾离子流出细胞，通过增加电学组分尼日利亚霉素还能降低膜内外的PH差（菌视紫素则明显地补偿了整个电化学梯度中这种化学组分的丧失）。
代之于紫色膜的扁平片断，菌视紫素与脂质可以形成细小的被称为蛋白脂质体的球体结构，它们也能被用于利用光能的设计图中，可以让质子泵的作用更好取向。
上述这些是应用紫色膜从日光产生电力的主要技术路线，紫色膜还能做些什么呢？
至少已提出另外三个生物工艺应用：海水的脱盐，制造氢气和氧气；以及制造三磷酸腺苷（ATP）——可为生命系统提供绝大多数能量的“高能”化合物。其中每种可能性均赖以菌视紫素可捕获太阳能。
用紫色膜对盐水脱盐的可能性是基于称为反向转移的分子结构的存在，反向转移在通过生物膜时可以把一种化学物质变成另一种，它们可比作一个旋转门，H+/Na+反向转移可以把细胞外的质子替换细胞内的钠离子，这“旋转门”是由菌视紫素所产生的质子电位梯度所驱动，把紫色膜与这些反向转移结合一起后的净效应是通过膜吸取Na+如果这样一种膜被用于在两个含有海水的分隔室之间构成电池，Na+就能由一个部分移到另一部分去，由质子梯度所产生的静电电位还可把Cl-驱出电池，这样氯化钠就能由一个室中移去，留下来淡水。
最新证据推测：嗜盐杆菌还具另一类与质子泵很不相同的泵，它称为嗜盐视紫素（halorhodopsin）,它似乎不要质子泵的协助，直接利用光能吸取Na+，如果这种嗜盐视紫素能提纯、并能像紫色膜中的菌视紫素那样以同样方式操作，就可能发展出一种脱盐装置，在这种情况下，不再需要H+/Na+的反向转移参与了，Na+不需要质子的介入能直接被移走。
当嗜盐杆菌其紫色膜产生电化学梯度时，主要在于制造能驱动为细胞存活所必需的许多化学反应的ATP，因为ATP是此种微生物与所有其它生物所必需，因此补充这种高能化合物将是许多生物工艺学流程所需要。
ATP很早就被看作是生命系统的“能量流通”，随着可以预期的生物工艺工业的发展，“流通”这个术语有希望呈现全然更为普通的含意。发展出能廉价地制造大量ATP的方法的诱人设想是很大的，应用日光和紫色膜以驱动“低能”的二磷酸腺苷（ADP）产生高能ATP的天然酶，这就有可能大规模地制取ATP，像它的绝大多数的潜在应用一样，紫色膜在这方面所具有的最主要有利点是：其系统较为简单，而且并不依赖于其它的起着转移能量的功能的生物系统的整个部分。
第四，紫色膜的应用中可能最具推测性的是用分解水分子的方法生产氢和氧，植物叶绿体中的光合装置已知可分解水，带着利用氢作为燃料的想法，许多努力正集中于把这一点变成实际的研究，有紫色膜参与的系统也可以做到这一点。
然而，另一个十分不同的利用嗜盐杆菌的方法，是首先研究清楚视紫素是怎样工作的——使紫色膜可作为质子泵而工作的精确的物理化学，这种技术并不直接应用生物学系统，而是向生物学习并模拟生物。伯克莱加利福尼亚大学的李斯脱派克（Lester Packer）总结出他的有关紫色膜研究的观点之一，“对原有系统实质性的改进还有很大距离，不过由于具有有关光能转化过程细节的基本的分子信息，使我们可发展出一种模仿菌视紫素的有效的系统。例如，当了解该分子的结构特征时，原则上我们能合成一个能表现出我们所需要的活性的小片段。”
发现菌视紫素以及对其秘密的揭示的整个叙述可以成为工艺学可能性的第一流的说明，这种可能性是作为基本研究的成果而出现的。Walther Stoeckenius和Dieter Oesterhelt在十年前发现菌视紫素可作为光驱动的质子泵时，他们的想法是作为一种测试生物能学的竞争性理论的方式而被利用的，随着混乱开始平静（虽然激烈的争论绝不是已经过去），米歇尔（Mitchell）的假设已被坚固地树立，十项基本研究的实践成果开始出现。
对紫色膜生物工艺学的研究仍处于早期阶段，太阳能转换的许多其它方式正在竞争，看看哪一项首先被认为在太阳能计划中占着重要位置。虽然争取优先的压力通常很大，对所有各项应用来说，似乎要求采取一种折中手段——至少在一个或几个系统在其技术上与经济成本上获得证实以前。
[New Scientist，1981年1275期]